Deltabølger i REM-søvn hos mennesker og den udviskende skelnen mellem NREM- og REM-søvn

Søvn er universel, uimodståelig og heterogen. Hos pattedyr opdeles søvnen traditionelt i non-rapid eye movement (NREM) 1-4 og rapid eye movement (REM) stadier, hver med definerende mønstre af hjerneaktivitet. Specifikt definerer langsomme, synkrone deltabølger, spindler og isolerede negative afbøjninger NREM-søvnen, mens tonisk, hurtig, usynkroniseret aktivitet karakteriserer REM-søvnen. Bi-stabile neuronale aktivitetsmønstre med depolariserede “on-” og hyperpolariserede “off-” tilstande giver anledning til deltabølger og menes at gøre det muligt for NREM-søvnen at fungere i hukommelseskonsolidering (Battaglia et al., 2004) og synaptisk homeostase (Tononi og Cirelli, 2014). I modsætning hertil menes aktivitetsmønstrene under REM-søvn at gøre denne fase bedre egnet til hukommelsesstabilisering (Li et al., 2017) og integration (Sterpenich et al., 2014).

Nylige beviser tyder på, at adfærd ikke er så let adskilt i hjerne-dækkende tilstande med emblematiske neurale aktivitetsprogrammer og funktioner, som tidligere antaget. I stedet kan ultradiane cyklusser af neuronal synkronisering og neuromodulation have generelle, hjernedækkende påvirkninger, under hvilke lokal hjerneaktivitet er heterogen og kan afvige fra det globale mønster. For eksempel er lokal aktivering under NREM-søvn (Nobili et al., 2011) og slow-wave aktivitet (herefter delta-range aktiviteter) i den vågne hjerne (Vyazovskiy et al., 2011; Quercia et al., 2018), såvel som i musens primære cortex under REM-søvn (Funk et al., 2016), blevet dokumenteret; for en detaljeret gennemgang af disse emner se Siclari og Tononi (2017). Således, selv om det er bekvemt at opdele menneskelig søvn i et lille antal let adskilte stadier, kan virkeligheden være langt mere kompleks. Faktisk er der flere spørgsmål, der skal behandles. Har mennesker, ligesom mus, lokale deltabølger under REM-søvn? Hvis ja, er disse bølger så sammensat på samme måde som dem, der observeres under NREM-søvn? Har deltabølger de samme eller forskellige funktioner på tværs af vågenhedstilstande? Og er forskellen mellem NREM- og REM-søvn ved at blive udvisket? Mange af disse spørgsmål besvares af nylige resultater fra Bernardi et al. (2019), offentliggjort i Journal of Neuroscience.

Ved hjælp af elektroencefalografi med høj tæthedsgrad søgte Bernardi et al. (2019) at afgøre, om mennesker har regionale deltabølger under REM-søvn, svarende til dem, der for nylig blev vist i mus (Funk et al., 2016). Faktisk skelner de to grupper af deltabølger, der forekommer under REM-søvn: langsommere (<2 Hz) bølger, registreret i medial-occipitale regioner, der er til stede i både NREM- og REM-søvn, og hurtigere (2.5-3 Hz), REM-søvn-eksklusive, fronto-centrale/occipito-temporale “sawtooth”-bølger. Af disse var de medial-occipitale deltabølger ofte isolerede, lave i amplitude og lokaliseret til de primære visuelle cortexer, når de blev observeret i REM-søvn. Sawtooth-bølger optrådte i bølgeslag, havde høj amplitude og optrådte sammen med stigninger i REM-søvn. I modsætning til de NREM-søvnlignende medial-occipitale bølger, som var forbundet med fald i neuronal aktivitet, var savtandbølger positivt korreleret med højfrekvent gammaaktivitet og blev således anset for at være kortikalt “aktiverende”.

Observationen af en rytme, der traditionelt betragtes som en komponent af NREM-søvn i specifikke regioner af hjernen under REM-søvn, bygger på beviser, der indikerer, at søvn kan fungere på en lokal, i modsætning til ensartet, hjerne-dækkende, måde (Siclari og Tononi, 2017). En sådan lokal søvn er formodentlig ledsaget eller styret af kvasi-globale, tilstandsspecifikke påvirkninger og aktiviteter. Det vil sige, at NREM-søvnen, der allerede anses for at omfatte det meste af den samlede søvnperiode, måske ikke slukker helt i løbet af natten, på trods af at nogle af dens kvaliteter periodisk og regionalt afbrydes af REM-søvn. Alternativt kan aktiviteter, der traditionelt anses for at definere NREM-søvnen, f.eks. deltabølger, måske ikke være stadiespecifikke, men i stedet fungere lokalt under REM-søvnen og dermed udviske forskellen mellem disse stadier. Uanset hvad er det klart, at vågenhedstilstande ikke bør skelnes udelukkende på grundlag af påvisning af det, der traditionelt er blevet anset for at være faseadskillende aktivitetsmønstre. I stedet er det nettospektral effekt i elektroencefalogrammet og perifere fysiologiske målinger, som f.eks. øjenbevægelser eller ændringer i muskeltonus, der bør anvendes til at definere og skelne mellem NREM- og REM-søvn.

Detektionen af NREM-søvnlignende, medial-occipitale deltabølger under REM-søvn sammen med aktiverende, savtakkede deltabølger supplerer forskning, der viser, at bølgeformer, der opererer inden for et defineret spektralbånd, ikke er begrænset til en enkelt arousaltilstand (Siclari og Tononi, 2017) og ikke er helt homogene i struktur og funktion (Siclari et al, 2014). Når den forekommer i REM-søvn, kan medial-occipital og savtakket deltaaktivitet udføre funktioner, der ligner dem af NREM-søvndelta, udføre en ukendt funktion, der er specifik for REM-søvn, eller operere mere generelt i søvnbevarelse.

Under NREM-søvn er hjerneaktivitet i deltaområdet impliceret i systemer hukommelseskonsolidering (Maingret et al., 2016), synaptisk homeostase (Tononi og Cirelli, 2014) og sensorisk afbrydelse (Funk et al., 2016). De medial-occipitale deltabølger observeret af Bernardi et al. (2019) kan tjene sammenlignelige funktioner i REM-søvn. Selv om tonisk neural aktivering under REM-søvn styrker synapser (Li et al., 2017) og kan danne associationer (Lewis et al., 2018), forstyrrer forhøjet kolinerge tone hippocampal-neokortikal dialog og forbyder sandsynligvis deltabølgerne i denne tilstand fra at tjene en systemkonsolideringsfunktion (Gais og Born, 2004). Endvidere menes delta-range aktiviteter i NREM-søvn at lette overførslen på systemniveau af hukommelsesinformation fra subkortikale områder til kortikale loci ved at fase-låsning af depolariserende up-states til hippocampal ripples og thalamokortikale spindler (Maingret et al., 2016). Den relative begrænsning af hukommelsesreaktiveringsassocierede ripples og ripple-bærende spindler til NREM-søvn understøtter den opfattelse, at de deltabølger, der observeres i REM-søvn, ikke tjener en systemkonsolideringsfunktion. Selv hvis en interregional dialog skulle forekomme, kan delta-range aktiviteter i primære cortexer (Funk et al., 2016; Bernardi et al., 2019) hindre signaludbredelse (Massimini et al., 2005) og udelukke den integrative konsolidering af forbindelser til regioner nedstrøms for primære cortexer, hvor minder typisk befinder sig (Binder et al., 2009).

Information indkodes under opvågning ved styrkelse af synapser. Styrkede synapser er mere tilbøjelige til at blive aktiveret og styrkes yderligere, hvilket gør disse forbindelser sårbare over for mætning. Under NREM-søvn menes aktivitet i delta-spektret at forårsage en adaptiv renormalisering af forstærkede synapser (Tononi og Cirelli, 2014). Imidlertid gør begrænsningen af toppe i deltaaktivitet under REM-søvn til kortikale regioner af lavere orden (Bernardi et al., 2019), der ikke typisk er forbundet med hukommelseslagring, det usandsynligt, at synapsehomeostase er den vigtigste funktion af deltabølger i denne tilstand. Således er systemhukommelseskonsolidering og synapse renormalisering sandsynligvis mindre fremtrædende funktioner af deltabølger i REM-søvn sammenlignet med dem, der observeres i NREM-søvn.

Under NREM-søvn menes hæmningen af thalamokortikale relæer og deltabølge off-states at afbryde hjernen fra omverdenen (Lewis et al., 2015; Siclari et al., 2018). Funk et al. (2016) har foreslået, at den delta-range aktivitet observeret i primære, men ikke sekundære, sensoriske cortexer under REM-søvn opererer for at sikre, at denne afbrydelse fortsætter i REM-søvn. De ikke-aktiverende deltabølger, der er til stede i både menneskelige og gnaveres primære visuelle cortexer under REM-søvn, kan forhindre visuelle stimuli og aktiverende bølgeformer i at fremkalde overdreven ophidselse og adfærdstilstandsovergange. Sådanne aktiverende bølgeformer kan omfatte savtand (Bernardi et al., 2019) og ponto-geniculo-occipital (PGO) bølger (Stuart og Conduit, 2009), som diskuteres nedenfor. På denne måde kan medial-occipitale deltabølger sikre, at erindringer, der reaktiveres, styrkes, svækkes eller integreres under REM-søvn, ikke er biased eller forurenet af det eksterne miljø, som det ville ske, hvis mikroarousals eller opvågninger var hyppige.

Livagtige, fordybende, fænomenologiske oplevelser er et kendetegn for REM-søvn hos mennesker. Drømmenes rigdom er delvis afhængig af tonisk kortikal aktivering, dette fremgår af observationen af, at tilbagevendende off-states i NREM-søvn mindsker den bevidste oplevelse (Siclari et al., 2018) og forårsager drømmekorthed. Hvordan er drømmebilleder så levende under REM-søvn, hvis deltabølger er til stede i de primære visuelle cortexer? Drømme er ofte lokaliseret til højere orden multimodale områder af cortex og forekommer samtidig lav-delta effekt i disse regioner (Siclari et al., 2017), selv om lavere orden visuelle områder også er blevet impliceret. De aktiverende PGO-bølger, der er observeret i ikke-menneskelige arter, er et foreslået hjernesubstrat af drømmebilleder (Stuart og Conduit, 2009). De sawtooth delta-bursts beskrevet af Bernardi et al. (2019) siges at ligne, og måske være et menneskeligt korrelat af PGO-bølger. Derfor kan disse deltabølger være direkte forbundet med en af de mest definerende egenskaber ved menneskelig REM-søvn, nemlig drømme.

Gennem at påvise lokal deltaaktivitet under REM-søvn hos mennesker har Bernardi et al. (2019) leveret nye beviser mod forestillingen om globalt homogene søvnstadier med stadie-diskrete aktiviteter. Disse fund bidrager til en voksende mængde litteratur, der viser, at søvn i høj grad er lokal, og at relevante aktiviteter, såsom deltabølger, ofte ikke er så monolitiske i struktur og funktion eller så specifikke for en enkelt, hjernedækkende tilstand, som man tidligere troede. Disse opdagelser markerer et spændende øjeblik for søvnvidenskaben og indleder fremtidig forskning, der undersøger yderligere forskellene mellem og overlapningen af NREM- og REM-søvn samt REM-søvnens deltabølgers rolle.